Исследование загрязнения водной поверхности Невской Губы спутником «Космос-1939»

В регионах, имеющих водные бассейны, на первом месте в спи­ске экологических проблем стоит, как правило, загрязнение воды. На­блюдается дальнейшее увеличение масштабов загрязнения, за которым требуется соответствующий контроль.

водной среды — с другой, определяют необходимость привлечения дистанционных методов контроля за загрязнением водных бассейнов. В этом отношении перспективным источником информации о состоя­нии водной среды являются наблюдения из космоса. Ценность мате­риалов космических съемок заключается в непрерывной обзорности значительных площадей. В условиях широкого размаха антропоген­ных воздействий на окружающую среду данные, получаемые из кос­моса, приобретают особую актуальность, поскольку позволяют оцени­вать трансграничный перенос загрязняющих веществ. Обзорность космических изображений, их интеграционные особенности дают воз­можность лучше оценить взаимосвязи между различными проявле­ниями хозяйственной деятельности, а также последствия этой деятель­ности. Кризисное экологическое состояние Невской Губы побудило в 1991-1992 гг. разработать пакет прикладных программ, ориентирован­ных на обработку спутниковой информации. Это был опыт использо­вания ГИС IDRISI и создания базы архивных спутниковых данных. Схема вызовов программных модулей в этом пакете показана на рис. 8.40.

Рис. 8.40. Схема вызовов программных модулей в пакете прикладных программ для обработки спутниковой информации о Невской Губе

Основная программа RSMAIN.EXE позволяла вводить инфор­мацию в базы данных, редактировать эту информацию, в также запус­кать из системы меню программные модули.

Основное меню пакета (рис. 8.40) содержит информацию о гиб­ких магнитных дисках (ГМД), на которых хранятся спутниковые дан­ные -- номер диска, номер спектрального канала, содержание диска. Хранение данных на ГМД позволяет излишне не загружать жесткий диск, что с учетом очень больших объемов обрабатываемой информа­ции (один снимок со спутника «Космос-1939» занимал несколько ме­габайт) представляется весьма актуальным. Выбранный ГМД автома­тически копируется на жесткий диск, после чего можно запустить одну из программ обработки данных.

Первой запускается программа RSCOPY1.EXE, преобразующая спутниковую информацию (рис. 8.40). Исходные данные, получаемые с борта спутника «Космос-1939», поставлялись на магнитных лентах. Информация была организована в файлы объемом до 5 Мбайт. Файл состоял из заголовка длиной 400 байт и 1300-1500 строк, непосредст­венно содержащих космическую информацию, поступающую со ска­нера МСУ-Э. Каждая строка содержит информацию, соответствую­щую сигналам от 997 элементов трех ПЗС-линеек для спектральных каналов 0.5-0.6, 0.6-0.7 и 0.8-0.9 мкм. В строке сигналы от спектраль­ных каналов чередуются: первый, второй, третий, снова первый и т.д. Чтобы рассчитывать значения альбедо и отображать информацию на экране дисплея, исходные данные надо разделить по спектральным каналам. Эта процедура в программе RSCOPY1.EXE реализована сле­дующим образом. Исходный файл разбивается на меньшие файлы, которые прочитываются строка за строкой с жесткого диска. Из перво­го файла удаляется заголовок, а из каждой строки -- концевые нули. После этого исходная строка разбивается на три строки, содержащие информацию по отдельным спектральным каналам. К этим строкам добавляются концевые нули, а затем из строк формируются файлы объемом 5 Кбайт, включающие данные для пяти последовательных строк по каждому из спектральных каналов.

Оценка значений альбедо осуществляется в программе RSUPDATE.EXE на основе уравнения, определяющего зависимость потока уходящего в космос излучения с учетом влияния атмосферы. При обработке данных использовалось допущение, основанное на оценках радиометрических характеристик сканера МСУ-Э и заклю­чающееся в том, что сигнал, регистрируемый ПЗС-линейкой на спут­нике, линейно зависит от потока уходящего излучения. Вычисления в программе RSUPDATE.EXE (рис. 8.40) проводится следующим обра­зом. Исходная спутниковая информация, разделенная по спектраль­ным каналам, считывается порциями по 5 Кбайт. Каждый байт, число от 0 до 255 (единица квантования для ПЗС-линеек), подставляется в уравнение. Предварительно на основе знания подспутниковой обста­новки вычисляются значения коэффициентов C1-C4.

Для оценки величины коэффициента используется реперная точка с известным по данным натурных измерений значением альбедо. Выбор этой точки осуществлялся для природных объектов, уверенно идентифицируемых на снимке, для которых сигнал остается приблизи­тельно постоянным, а альбедо известно из результатов независимых измерений. На рис. 8.41 показан фрагмент снимка.

Рис. 8.41. Фрагмент снимка 13.05.89 г. спутника «Космос-1939» (канал 3). Район пос. Токсово, Ленинградская обл.: 1 -- оз. Кавголов- ское, 2 -- оз. Курголовское, 3 -- оз. Хеппо-Ярви

Озера -- единственные природные объекты для условий обра­батываемого снимка (май 1989 г.), пригодные для выбора реперной точки. Значения альбедо озер для условий весны известны из литера­турных данных. Исходя из проведенного анализа в качестве реперной точки выбран участок поверхности оз. Кавголовского, для которого сигнал оставался постоянным во всех трех спектральных каналах.

Рассчитанные значения альбедо записываются на диск в том же формате, что и исходная информация, для обеспечения возможности визуализации исходных данных и значений альбедо одной и той же программой.

Границы области с аномальными значениями альбедо определя­лись с помощью специально разработанного алгоритма. При обработке участков, соответствующих незагрязненным зонам Невской Губы, бы­ли установлены необходимые статистические характеристики. Напри­мер, на рис. 8.42 вдоль линии AA -- это область с номерами пикселов от 190 до 600. Для этой области установлено, что сигнал можно опи­сать зависимостью J = 22.5 со средним квадратическим отклонением результата наблюдения 0.8. Соответственно сигналы, равные или пре­вышающие 25, следует признать аномальными.

Рис. 8.42. Обработанный космический снимок южной части

Невской Губы: 1 -- облачность, 2 -- область с аномальными значениями альбедо водной поверхности

Таким образом, была установлена граница области, располо­женной вдоль южного берега Невской Губы, которая по значениям альбедо отличается от ее центральной части.

8.2.3.